يدفع التطور السريع للحوسبة بالذكاء الاصطناعي معالجات الخوادم نحو استهلاك طاقة أعلى وكثافة تدفق حراري أكبر. مع تزايد أهمية الحوسبة القائمة على وحدات معالجة الرسومات (GPU) لتدريب واستدلال الذكاء الاصطناعي، لم تعد الإدارة الحرارية مجرد مسألة اختيار مشتت حراري أكبر. يمكن أن يكون للواجهة الحرارية بين مصدر الحرارة وهيكل التبريد تأثير كبير على أداء النظام الكلي.

بالنسبة لخوادم الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة، تولد المكونات المختلفة مستويات مختلفة من الحرارة ولها هندسات واجهة مختلفة. قد تتطلب حزم وحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة المركزية مقاومة حرارية منخفضة للغاية، بينما قد تحتاج الذاكرة والمكونات المساعدة إلى مواد رقيقة وقابلة للتشكيل. قد تتطلب مكونات طاقة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) كلاً من الموصلية الحرارية والعزل الكهربائي، بينما قد تستفيد الهياكل على مستوى النظام من انتشار الحرارة الجانبي.

توضح حالة العميل هذه كيف يمكن استخدام مزيج من مادة الواجهة الحرارية المعدنية السائلة، ومادة التغيير الطوري، والوسادات الحرارية، ومواد الواجهة الحرارية القائمة على الجرافين لبناء استراتيجية إدارة حرارية متعددة المستويات لأنظمة الحوسبة بالذكاء الاصطناعي عالية الكثافة.

تدمج خوادم الذكاء الاصطناعي الحديثة وحدات معالجة رسومات متعددة عالية الأداء، ووحدات معالجة مركزية، وأجهزة ذاكرة، ومكونات طاقة، وعناصر أخرى مولدة للحرارة في مساحة صغيرة نسبيًا.

يخلق هذا العديد من التحديات الحرارية.

تولد المعالجات عالية الأداء حرارة مركزة في مناطق صغيرة نسبيًا. مع زيادة استهلاك طاقة وحدات معالجة الرسومات، تصبح المقاومة الحرارية بين الشريحة وهيكل التبريد ذات أهمية متزايدة.

حتى عندما يكون لوحة التبريد أو المشتت الحراري سعة تبريد كافية، يمكن لواجهة سيئة التصميم أن تحد من انتقال الحرارة.

تحتوي هياكل خوادم الذكاء الاصطناعي على مكونات ذات ارتفاعات حزم وهندسات سطح مختلفة. يمكن أن تؤدي الفجوات الصغيرة بين المكون المولد للحرارة وهيكل التبريد إلى إدخال جيوب هوائية، مما يزيد من المقاومة الحرارية.

لذلك، يجب أن توفر مادة الواجهة الحرارية توافقًا كافيًا وملءًا للفجوات دون إدخال سمك مادة غير ضروري.

قد تتطلب مكونات الطاقة وتجميعات لوحة الدوائر المطبوعة إدارة حرارية مع الحفاظ على العزل الكهربائي. قد لا تكون مادة ذات موصلية حرارية عالية وحدها كافية.

قد تحتاج أيضًا إلى مراعاة الامتثال الميكانيكي، وأداء الضغط، وطريقة التجميع، والخصائص العازلة.

يمكن لوحدات معالجة الرسومات المتعددة التي تعمل في وقت واحد أن تخلق مناطق حرارية مركزة. إذا لم يتم توزيع الحرارة بفعالية، فقد تتطور نقاط ساخنة موضعية عبر المشتت الحراري أو الهيكل أو الهياكل الحرارية الأخرى.

هذا يجعل انتشار الحرارة جزءًا مهمًا من التصميم الحراري العام لخادم الذكاء الاصطناعي.

بدلاً من استخدام مادة واجهة حرارية واحدة لكل مكون، اعتمد المشروع استراتيجية مواد خاصة بالتطبيق.

تم تقييم كل واجهة حرارية وفقًا لتوليد الحرارة، وفجوة الواجهة، وهدف المقاومة الحرارية، والمتطلبات الميكانيكية، والمتطلبات الكهربائية.

جمع الهيكل الناتج بين أربع تقنيات مختلفة لمواد الواجهة الحرارية:

يسمح هذا النهج لكل مادة بأداء الوظيفة التي تكون أكثر ملاءمة لها.

تعد وحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة المركزية عادةً من بين المكونات الأكثر تطلبًا حراريًا في خادم الذكاء الاصطناعي.

بالنسبة لهذه الواجهات، الهدف الأساسي هو تقليل المقاومة الحرارية بين حزمة أشباه الموصلات وهيكل التبريد.

استخدم المشروع مادة الواجهة الحرارية المعدنية السائلة من سلسلة TIG78 للواجهات عالية الطاقة.

وفقًا لبيانات الحالة المقدمة، توفر المادة:

• موصلية حرارية تصل إلى 78 واط/م·ك

• مقاومة حرارية مبلغ عنها تصل إلى 0.02 درجة مئوية·بوصة مربعة/واط

• نطاق درجة حرارة التشغيل -45 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية

يساعد مزيج الموصلية الحرارية العالية والمقاومة الحرارية المنخفضة المبلغ عنها في إنشاء مسار فعال لنقل الحرارة من المعالج إلى المشتت الحراري أو هيكل التبريد.

يمكن أن تكون مادة الواجهة الحرارية المعدنية السائلة جذابة بشكل خاص للتطبيقات عالية الطاقة حيث تكون كل زيادة في مقاومة الواجهة الحرارية مهمة.

ومع ذلك، يجب على المهندسين أيضًا مراعاة العزل الكهربائي، وتوافق المواد، وعملية التطبيق، والاحتواء، والموثوقية على المدى الطويل عند تصميم واجهة معدنية سائلة.

لا تتطلب كل واجهة حرارية في خادم الذكاء الاصطناعي المقاومة الحرارية المنخفضة للغاية المرتبطة بالمعادن السائلة.

غالبًا ما يكون للذاكرة والمكونات المساعدة متطلبات حرارية مختلفة وقد تستفيد من مادة واجهة رقيقة جدًا قادرة على التوافق مع الأسطح المتزايدة.

تم اختيار مادة التغيير الطوري TIC800 لهذه التطبيقات.

تشمل المواصفات المقدمة:

• الموصلية الحرارية: 5.0 واط/م·ك

• نطاق السماكة: 0.102–0.305 مم

أثناء التشغيل، يسمح سلوك تغيير الطور للمادة بالتوافق مع الواجهة في ظل الظروف المناسبة، مما يساعد على تقليل فجوات الهواء المجهرية.

بالنسبة لهياكل خوادم الذكاء الاصطناعي المدمجة، يمكن لواجهة التغيير الطوري الرقيقة أن توفر توازنًا عمليًا بين الأداء الحراري، وتوافق الواجهة، والتكامل على مستوى الحزمة.

تختلف متطلبات الإدارة الحرارية حول إلكترونيات الطاقة ومكونات لوحة الدوائر المطبوعة.

قد تحتوي هذه المناطق على أسطح غير منتظمة أو اختلافات في ارتفاع المكونات وقد تتطلب أيضًا عزلًا كهربائيًا.

تم استخدام وسادة حرارية TIF800TU-16W لهذه التطبيقات.

تفيد بيانات المنتج المقدمة بما يلي:

• الموصلية الحرارية: 16 واط/م·ك

• الصلابة: 45 شور 00

• خيارات السماكة: 0.5–5.0 مم

• خصائص العزل الحراري والكهربائي

مقارنة بالمعادن السائلة، توفر الوسادة الحرارية واجهة حالة صلبة أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تكون فيها ملء الفجوات، والامتثال الميكانيكي، والعزل، وكفاءة التجميع مهمة.

تسمح القدرة على اختيار سماكات مختلفة أيضًا للمادة باستيعاب فجوات المكون إلى المشتت الحراري المختلفة.

إدارة الحرارة عند واجهة الشريحة إلى المشتت الحراري هي جزء فقط من التحدي الحراري.

في أنظمة الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة، يمكن أن تتراكم الحرارة الموضعية أيضًا في المشتتات الحرارية وهياكل الهيكل وأجزاء أخرى من المسار الحراري.

لهذه التطبيقات، يمكن لمواد الواجهة الحرارية القائمة على الجرافين توفير وظيفة إضافية لانتشار الحرارة.

تفيد بيانات المشروع المقدمة بموصلية حرارية في المستوى تصل إلى:

130 واط/م·ك

الهدف الأساسي ليس مجرد نقل الحرارة عموديًا عبر الواجهة. بدلاً من ذلك، تساعد الموصلية الحرارية العالية في المستوى على توزيع الحرارة الموضعية عبر مساحة أكبر.

تشمل التطبيقات المحتملة:

• قواعد المشتت الحراري

• انتشار الحرارة في الهيكل

• أنظمة وحدات معالجة الرسومات المتعددة

• إدارة النقاط الساخنة الموضعية

• معادلة درجة الحرارة

نظرًا لأن المواد الحرارية القائمة على الجرافين يمكن أن تظهر سلوكًا حراريًا غير متجانس، يجب على المهندسين تقييم كل من الأداء الحراري في المستوى وعبر المستوى وفقًا لاتجاه تدفق الحرارة الفعلي.

الخطأ الشائع في التصميم الحراري هو اختيار مادة واجهة حرارية بناءً على موصليتها الحرارية فقط.

في الواقع، يعتمد الأداء الحراري على الواجهة الكاملة.

على سبيل المثال، قد لا تكون المادة ذات الموصلية الحرارية العالية للغاية هي الخيار الأفضل إذا كان التطبيق يتطلب:

• ملء فجوات كبيرة

• عزل كهربائي

• ضغط عالٍ

• تجميع سهل

• توافق سطح معقد

• توزيع آلي

• إجهاد ميكانيكي منخفض

على العكس من ذلك، قد تكون الوسادة الحرارية ذات الموصلية الحرارية المعتدلة أكثر ملاءمة لمكون طاقة لوحة الدوائر المطبوعة إذا كان العزل الكهربائي وتعويض الفجوة أمرًا بالغ الأهمية.

لذلك، يجب أن تبدأ عملية الاختيار بـ متطلبات الواجهة الحرارية، بدلاً من مجرد السؤال عن مادة الواجهة الحرارية التي لديها أعلى قيمة واط/م·ك.

استراتيجية اختيار مبسطة للإدارة الحرارية لخوادم الذكاء الاصطناعي هي:

ضع في اعتبارك مادة واجهة حرارية منخفضة المقاومة مثل المعدن السائل عندما يدعم التطبيق الظروف الكهربائية والميكانيكية وظروف التوافق والموثوقية المطلوبة.

يمكن لمواد التغيير الطوري توفير واجهة رقيقة وقابلة للتشكيل للفجوات المتحكم فيها.

يمكن للوسادات الحرارية توفير مزيج من نقل الحرارة، والعزل الكهربائي، وملء الفجوات، والامتثال الميكانيكي.

يمكن لمواد الواجهة الحرارية القائمة على الجرافين المساعدة في توزيع الحرارة جانبيًا وتقليل تركيز درجة الحرارة.

ينشئ هذا هيكلًا حراريًا يكون لكل مادة فيه دور محدد بوضوح.

وفقًا لمواد المشروع المقدمة، تم تقييم حلول الإدارة الحرارية في تطبيقات خوادم الذكاء الاصطناعي ومراكز الحوسبة الذكية.

حقق مشروع خادم ذكاء اصطناعي واحد لمزود خدمة سحابية:

درجة حرارة الشريحة: 88 درجة مئوية → 65 درجة مئوية

أبلغت نفس مادة الحالة عن تحسن بنسبة 28% في أداء الحوسبة.

في مشروع آخر لتحسين تبريد مركز الحوسبة الذكية، أفادت البيانات المقدمة:

PUE: 1.42 → 1.08

أفادت مواد المشروع أيضًا عن توفير سنوي للكهرباء بأكثر من 5 ملايين كيلوواط/ساعة.

بالنسبة لخادم ذكاء اصطناعي عالي الأداء تم تطويره ذاتيًا، أفادت مادة الحالة المقدمة:

• 10,000 ساعة من التشغيل المستمر

• تقلب درجة الحرارة ≤ ±2 درجة مئوية

• صفر أعطال مبلغ عنها

يجب التحقق من هذه الأرقام مقابل ظروف الاختبار وتقارير الاختبار وموافقات العملاء ومواصفات المنتج النهائية المعمول بها قبل النشر الخارجي.

أهم درس مستفاد من هذا المشروع هو أن الإدارة الحرارية لخوادم الذكاء الاصطناعي يجب أن تُعتبر مسارًا حراريًا كاملاً.

يشمل نظام التبريد أكثر من مجرد وحدة معالجة الرسومات ولوحة التبريد.

يشمل أيضًا:

شبه موصل → مادة الواجهة الحرارية → مشتت حراري / لوحة تبريد → مشتت حراري → هيكل → نظام تبريد

يمكن لأي مقاومة حرارية كبيرة ضمن هذا المسار أن تؤثر على درجة حرارة النظام النهائية.

لهذا السبب يمكن لتقنيات مواد الواجهة الحرارية المختلفة أن تعمل معًا داخل نفس الخادم.

يمكن للمعدن السائل تقليل المقاومة الحرارية عند واجهات الرقائق عالية الطاقة.

يمكن لمادة التغيير الطوري توفير واجهات رقيقة وقابلة للتشكيل.

يمكن للوسادات الحرارية استيعاب فجوات أكبر مع توفير العزل الكهربائي.

يمكن للمواد القائمة على الجرافين نشر الحرارة جانبيًا وتحسين تجانس درجة الحرارة.

معًا، توفر هذه التقنيات نهجًا أكثر مرونة للإدارة الحرارية لخوادم الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة.

يمكن أن توفر استراتيجية حرارية متعددة المواد مصممة بشكل صحيح العديد من الفوائد:

• مقاومة حرارية أقل للواجهة

• تعويض أفضل للفجوات

• سلامة كهربائية محسنة

• تجانس درجة حرارة محسّن

• مرونة تصميم أكبر

مع استمرار تطور خوادم الذكاء الاصطناعي نحو كثافة طاقة أعلى لوحدات معالجة الرسومات، وهياكل مدمجة، وأنظمة تبريد متقدمة، ستلعب مواد الواجهة الحرارية دورًا متزايد الأهمية في الحفاظ على أداء الحوسبة وموثوقية النظام.

المفتاح ليس مجرد اختيار مادة الواجهة الحرارية ذات الموصلية الحرارية الأعلى.

يجب أن يأخذ حل الإدارة الحرارية الناجح في الاعتبار المزيج الكامل لـ:

الموصلية الحرارية + المقاومة الحرارية + الفجوة + الضغط + العزل الكهربائي + عملية التجميع + الموثوقية

في مشروع العميل هذا، تم استخدام مزيج من مادة الواجهة الحرارية المعدنية السائلة، ومادة التغيير الطوري، والوسادات الحرارية عالية الموصلية الحرارية، ومواد الواجهة الحرارية القائمة على الجرافين لمعالجة الواجهات الحرارية المختلفة في جميع أنحاء خادم الذكاء الاصطناعي عالي الكثافة.

يوفر هذا النهج الخاص بالتطبيق مسارًا مرنًا لإدارة كل من النقاط الساخنة على مستوى الشريحة وتوزيع الحرارة على مستوى النظام، مما يدعم التطوير المستمر للبنية التحتية للحوسبة بالذكاء الاصطناعي عالية الأداء.

لا توجد مادة واجهة حرارية أفضل عالميًا. بالنسبة لواجهات وحدة معالجة الرسومات إلى التبريد عالية الطاقة، يمكن النظر في مواد المقاومة الحرارية المنخفضة مثل المعادن السائلة عندما يلبي التطبيق الظروف الكهربائية والميكانيكية وظروف التوافق والموثوقية المطلوبة.

لا تزال الوسادات الحرارية مفيدة للواجهات التي تتطلب ملء الفجوات، والعزل الكهربائي، والامتثال الميكانيكي، والتجميع المريح. إنها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات مكونات لوحة الدوائر المطبوعة ومكونات الطاقة.

يمكن لمواد التغيير الطوري توفير واجهة رقيقة مع تحسين التوافق مع الأسطح المتزايدة في ظل ظروف التشغيل المناسبة. يمكن أن تكون مفيدة للذاكرة وواجهات المكونات المدمجة الأخرى.

يمكن استخدام مواد الواجهة الحرارية القائمة على الجرافين لانتشار الحرارة الجانبي ومعادلة درجة الحرارة. موصليتها الحرارية العالية في المستوى تجعلها مثيرة للاهتمام بشكل خاص لإدارة النقاط الساخنة وتوزيع الحرارة على مستوى النظام.

يجب أن تستند سماكة مادة الواجهة الحرارية إلى فجوة الواجهة الفعلية، وتفاوت المكون، والضغط المطلوب، ونطاق التطبيق الموصى به من قبل الشركة المصنعة. يمكن أن يؤدي القليل جدًا من المواد إلى ترك فجوات هوائية، بينما يمكن أن يزيد السماكة المفرطة من المقاومة الحرارية.

نعم. للمكونات المختلفة متطلبات حرارية وميكانيكية مختلفة. يمكن لهيكل مادة الواجهة الحرارية المتعددة الجمع بين المعادن السائلة، ومواد التغيير الطوري، والوسادات الحرارية، والمواد الهلامية الحرارية، والمواد القائمة على الجرافين داخل أجزاء مختلفة من نفس الهيكل الحراري.

توفر ZIITEK تقنيات متعددة للواجهة الحرارية ويمكنها تقييم اختيار مادة الواجهة الحرارية بناءً على الموصلية الحرارية، والمقاومة الحرارية، والفجوة، والصلابة، والعزل الكهربائي، وعملية التجميع، ودرجة حرارة التشغيل، ومتطلبات الموثوقية.